TWI480222B - 微機電系統振膜及其製造方法 - Google Patents

Description

微機電系統振膜及其製造方法

本發明是有關於一種微機電系統振膜(microelectromechanical system diaphragm structure diaphragm，MEMS diaphragm)及其製造方法，且特別是有關於可以減少上電極中的殘餘應力、提高上電極的可靠性與靈敏度以及減少製程步驟的一種微機電系統振膜及其製造方法。

隨著技術不斷進步，目前已達到利用微加工技術來製作各式各樣的微機電系統裝置。舉例而言，這些微機電系統裝置例如包括馬達、幫浦、閥、開關、感應器、像素及麥克風等。

由於採用微機電系統技術所製作的麥克風具有重量輕、體積小及訊號品質佳等優點，所以微機電系統麥克風逐漸成為微型麥克風的主流。此外，由於行動電話的需求日益增加，且行動電話對於麥克風的收音品質及體積微小化、電路整合性的要求亦日益提高，再加上助聽器技術也已逐漸成熟，因此使得微機電系統麥克風的需求急速增加。

一般來說，微機電系統振膜的製造方法是先於基底上依序形成下電極、介電層與上電極，然後再移除上電極與下電極之間的介電層。此外，在習知的微機電系統振膜中，通常會使用金屬來作為上電極的材料。然而，在移除上電極與下電極之間的介電層之後，由於金屬材 料具有較大的殘餘應力，往往導致上電極產生翹曲的問題，因而對元件造成影響。

此外，為了解決上述上電極產生翹曲的問題，通常會在移除上電極與下電極之間的介電層之前，先進行蝕刻製程而於上電極中形成網眼(mesh)以釋放上電極中的殘餘應力，而上電極中之網眼會使得上電極在進行聲音壓力波感測時的受力面積減少而導致靈敏度降低。因此，後續製程會再利用一層聚合物(polymer)薄膜將上電極密封。

然而，由於上述的聚合物薄膜並不具有耐高溫的特性，因此往往在後續的高溫製程中損壞。另外，上述的方法雖然可以解決上電極產生翹曲的問題，但也因此降低了上電極的可靠性，以及增加了製程步驟。

有鑑於此，本發明的目的就是在提供一種微機電系統振膜，其可以減少上電極中的殘餘應力，以及提高上電極的可靠性與靈敏度。

本發明的另一目的就是在提供一種微機電系統振膜的製造方法，其可以減少微機電系統振膜的製程步驟。

本發明提出一種微機電系統振膜，其包括基底、第一導體層、第二導體層、第一介電層以及第二介電層。第一導體層配置於基底上。第一導體層具有可撓部分，且可撓部分中具有多個凹槽。第二導體層配置於第一導體層與基底之間，其中可撓部分位於第二導體層上方。第一介電層配置於第二導體層與基底之間。第二介電層 配置於基底與部分第一導體層之間，以使可撓部分懸空。此外，第一導體層中具有至少一個第一開口。

依照本發明實施例所述之微機電系統振膜，上述之基底、第一介電層與第二導體層中具有至少一個第二開口。

依照本發明實施例所述之微機電系統振膜，還可以具有配置於第二介電層中的保護插塞，且保護插塞連接第一導體層與基底。

依照本發明實施例所述之微機電系統振膜，上述之第一導體層的材料例如為金屬、合金或多晶矽。

依照本發明實施例所述之微機電系統振膜，上述之第二導體層的材料例如為金屬、合金或多晶矽。

本發明另提出一種微機電系統振膜的製造方法，此方法是先提供基底。然後，於基底上依序形成第一介電層與第一導體層。接著，於基底上形成第二介電層，且第二介電層覆蓋第一導體層。而後，於第二介電層上形成第二導體層。繼之，於第二導體層中形成凹槽，以於第一導體層上方形成可撓部分。隨後，於第二導體層中形成至少一個第一開口。之後，經由第一開口移除可撓部分與第一導體層之間的第二介電層。

依照本發明實施例所述之微機電系統振膜的製造方法，上述在形成第一開口之後以及移除可撓部分與第一導體層之間的第二介電層之前，更可以於基底、第一介電層與第一導體層中形成至少一個第二開口。

依照本發明實施例所述之微機電系統振膜的製造方 法，上述在形成第二介電層之後以及形成第二導體層之前，更可以於第二介電層中形成與基底連接的保護插塞。

本發明利用大面積的導體層來作為上電極，且於上電極中形成凹槽，因此除了使得上電極具有足夠的可靠性之外，還可以減少上電極中的殘餘應力，以避免上電極產生翹曲的問題。此外，由於本發明的上電極為大面積的導體層，因此可以增加在進行壓力感測或聲波感測時的受力面積而提高靈敏度。另外，由於本發明的上電極為大面積的導體層，因此不需要於上電極上額外形成聚合物薄膜以減少製程步驟。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，詳細說明如下。

本發明之微機電系統振膜的製程可以與互補式金屬氧化物半導體電晶體的製程以及內連線的製程整合，因此在以下的各個實施例中將同時以金屬氧化物半導體、內連線與微機電系統振膜的製程步驟來對本發明作說明。

圖1A至圖1D為依照本發明一實施例所繪示的微機電系統振膜之製作流程剖面圖。首先，請參照圖1A，提供基底100。基底100例如為矽基底。基底100具有區域101、103。然後，於區域101的基底100上形成互補式金屬氧化物半導體電晶體10，以及於區域103的基底100上依序形成介電層102與導體層104。導體層104是作為 微機電系統麥克風結構的下電極之用。互補式金屬氧化物半導體電晶體10包括位於基底100上的閘極結構12與位於閘極結構12二側的基底100中的源極/汲極區18。閘極結構12由閘介電層14以及位於閘介電層14上的閘極16組成。在本實施例中，介電層102與導體層104的製作可以與閘極結構12的製作整合，因此介電層102的材料可為氧化物(與閘介電層14的材料相同)，而導體層104的材料可為金屬、合金或多晶矽(與閘極16的材料相同)。當然，在其他實施例中，介電層102與導體層104也可以是在互補式金屬氧化物半導體電晶體10形成之後另外製作。

然後，請參照圖1B，於區域101進行內連線製程。內連線製程例如是先於區域101的基底100上形成介電層106。介電層106的材料例如為氧化物。然後，於介電層106中形成與源極/汲極區18電性連接的插塞108a。插塞108a的材料例如為金屬或合金。之後，於介電層106上形成導體層110。導體層110的材料例如為金屬、合金或多晶矽。此外，在進行上述內連線製程的同時，於區域103的基底100上形成介電層106、保護插塞108與導體層110。導體層110是作為微機電系統振膜的上電極之用。詳細地說，在區域101形成介電層106時，同時於區域103的基底100上形成介電層106，且介電層106覆蓋導體層104；在區域101形成插塞108a時，同時於區域103的介電層106中形成與基底100連接的保護插塞108b：在區域101形成導體層110時，同時於區域103 的介電層106上形成導體層110。

接著，請參照圖1C，於區域103的導體層110中形成凹槽112，以於導體層104上方形成可撓部分114。凹槽112的形成方法例如是依序進行微影製程與蝕刻製程，以移除部分的導體層110。特別一提的是，凹槽112的數量與圖案可視實際需求而進行調整。

之後，請參照圖1D，於導體層110中形成開口116。開口116的形成方法例如是依序進行微影製程與蝕刻製程，以移除部分的導體層110，直到暴露出介電層106。此外，在形成開口116的過程中，可同時將區域101的導體層110圖案化，以形成導線圖案110a。然後，在形成開口116之後，經由開口116移除可撓部分114與導體層104之間的介電層106，以完成本發明之微機電系統振膜20的製作。移除可撓部分114與導體層104之間的介電層106的方法例如是進行蒸汽式蝕刻製程。特別一提的是，由於在圖1B所述的步驟中已於介電層106中形成了保護插塞108b，因此在進行移除介電層106的蝕刻製程時，僅會移除可撓部分114與導體層104之間的介電層106，而不會將區域103中的整個介電層106移除。此外，由於形成於導體層104與基底100之間的介電層102的厚度相當薄(亦即導體層104與基底100之間的距離相小)，因此在進行移除介電層106的蝕刻製程時，並不會一併將介電層102完全移除。

以下將以圖1D中的結構為例來對本發明之微機電系統振膜作說明。

圖2A為圖1D中導體層110的上視示意圖。請同時參照圖1D與圖2，微機電系統振膜20包括基底100、導體層104與110以及介電層102與106。導體層110配置於基底100上，以作為微機電系統振膜20的上電極。導體層110具有可撓部分114，且可撓部分114中具有凹槽112。導體層110的材料例如為金屬、合金或多晶矽。由於上電極中具有凹槽112，因此可以減少上電極中的殘餘應力，以避免上電極產生翹曲的問題。此外，由於上電極為大面積的導體層，因此亦具有足夠的可靠性。

請繼續參照圖1D與圖2A，導體層104配置於導體層110與基底100之間，以作為微機電系統振膜20的下電極，其中可撓部分114位於導體層104上方。介電層102配置於導體層104與基底100之間，用以將導體層104與基底100隔離開。介電層106配置於基底100與部分導體層110之間，用以支撐導體層110，並使可撓部分114懸空。此外，導體層110中具有開口116。經由調整凹槽112以及開口116數量、位置或孔徑，可以對上電極的機械參數進行調整。另外，介電層106中具有連接導體層110與基底100的保護插塞108b。

在本實施例中，導體層110中具有多個開口116。在另一實施例中，導體層110中也可以具有圍繞可撓部分114的開口117，如圖2B所示。

圖3A至圖3B為依照本發明另一實施例所繪示的微機電系統振膜之製作流程剖面圖，其中圖3A是接續在圖1C之後所進行。首先，請參照圖3A，於區域103的導體 層110中形成凹槽112之後，於導體層110中形成開口116與118。開口116與118的形成方法例如是依序進行微影製程與蝕刻製程，以移除部分的導體層110，直到暴露出介電層106。經由調整凹槽112以及開口116與118的數量、位置或孔徑，可以對上電極的機械參數進行調整。此外，在形成開口116與118的過程中，可同時將區域101的導體層110圖案化，以形成導線圖案110a。

之後，請參照圖3B，於基底100、介電層102與導體層104中形成開口120與氣腔121。開口120與氣腔121的形成方法例如是依序進行第一次的微影製程與第一次的蝕刻製程，以移除部分的基底100而形成開口120。此時，開口120並未暴露出介電層106。然後，再進行第二次的微影製程與第二次的蝕刻製程，移除部分的基底100、介電層102與導體層104而形成氣腔121以及暴露出介電層106的開口120。此外，在另一實施例中，亦可以直接形成暴露出介電層106的開口120，而不需要形成氣腔121。

請繼續參照圖3B，經由開口116、118與120移除可撓部分114與導體層104之間的介電層106，以完成本發明之微機電系統振膜30的製作。移除可撓部分114與導體層104之間的介電層106的方法例如是進行蒸汽式蝕刻製程。

在本實施例中，同時於導體層110中形成了開口116與118以及於基底100、介電層102與導體層104中形成了開口120與氣腔121。當然，在其他實施例中，亦可以僅於導體層110中形成開口116以及於基底100、介電層 102與導體層104中形成開口120與氣腔121。

圖4A至圖4D為依照本發明再一實施例所繪示的微機電系統振膜之製作流程剖面圖，其中圖4A是接續在圖1C之後所進行。首先，請參照圖4A，於區域103的導體層110中形成凹槽112之後，於導體層110中形成開口116與118，以及同時將區域101的導體層110圖案化，以形成導線圖案110a。然後，於區域101繼續進行內連線製程。在本實施例中，僅形成有一層金屬導線與焊墊(pad)，而在其他實施例中則可視實際需求而形成更多層的導線。詳細地說，在形成開口116與118之後，於基底100上形成介電層122。然後，於區域101的介電層122中形成插塞(未繪示)，以及於區域103的介電層122中形成保護插塞124b。接著，於介電層122上形成做為焊墊的導體層126。而後，於區域101及103的介電層122上形成保護層128，且保護層128覆蓋導體層126。之後，於保護層128上形成硬罩幕層130。

然後，請參照圖4B，將硬罩幕層130與保護層128圖案化，以形成覆蓋導體層126的圖案化硬罩幕層132與圖案化保護層134，其中位於區域101的圖案化硬罩幕層132與圖案化保護層134將作為焊墊的導體層126暴露出來。然後，以圖案化硬罩幕層132與圖案化保護層134為罩幕，進行蝕刻製程，移除一部分的介電層122。上述的蝕刻製程例如是非等向性蝕刻製程。

接著，請參照圖4C，於基底100、介電層102與導體層104中形成氣腔121與暴露出部分介電層106的開口120。

之後，請參照圖4D，移除可撓部分114上方的介電層122以及經由開口116、118與120移除可撓部分114與導體層104之間的介電層106，以完成本發明之微機電系統振膜40的製作。移除介電層122與介電層106的方法例如是進行蒸汽式蝕刻製程。由於介電層106與122中已分別形成有保護插塞108b與124b，因此在進行上述蝕刻製程時並不會將區域103中的整個介電層106與122移除。

綜上所述，本發明利用大面積的導體層來作為微機電系統振膜的上電極，因此可以增加上電極的可靠性，以及在進行壓力感測或聲波感測時可以增加上電極的受力面積，以提高元件的靈敏度。

此外，本發明於上電極中形成凹槽，因此可以減少上電極中的殘餘應力，以避免上電極產生翹曲的問題。

另外，本發明在形成作為上電極的導體層之後，不需要額外形成一層聚合物薄膜來密封上電極，因此可以達到簡化製程的目的。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧互補式金屬氣化物半導體電晶體

12‧‧‧閘極結構

14‧‧‧閘介電層

16‧‧‧閘極

18‧‧‧源極/汲極區

20、30、40‧‧‧微機電系統振膜

100‧‧‧基底

101、103‧‧‧區域

102、106、122‧‧‧介電層

104、110、126‧‧‧導體層

108a‧‧‧插塞

108b、124b‧‧‧保護插塞

110a‧‧‧導線圖案

112‧‧‧凹槽

114‧‧‧可撓部分

116、117、118、120‧‧‧開口

121‧‧‧氣腔

128‧‧‧保護層

130‧‧‧硬罩幕層

132‧‧‧圖案化硬罩幕層

134‧‧‧圖案化保護層

圖1A至圖1D為依照本發明一實施例所繪示的微機電系統振膜之製作流程剖面圖。

圖2A為圖1D中導體層110的上視示意圖。

圖2B為另一實施例中導體層110的上視示意圖。

圖3A至圖3B為依照本發明另一實施例所繪示的微機電系統振膜之製作流程剖面圖。

圖4A至圖4D為依照本發明再一實施例所繪示的微機電系統振膜之製作流程剖面圖。

10‧‧‧互補式金屬氧化物半導體電晶體

12‧‧‧閘極結構

14‧‧‧閘介電層

16‧‧‧閘極

18‧‧‧源極/汲極區

30‧‧‧微機電系統振膜

100‧‧‧基底

101、103‧‧‧區域

102、106‧‧‧介電層

104、110‧‧‧導體層

108a‧‧‧插塞

108b‧‧‧保護插塞

110a‧‧‧導線圖案

112‧‧‧凹槽

114‧‧‧可撓部分

116、118、120‧‧‧開口

121‧‧‧氣腔

Claims (9)

1. 一種微機電系統振膜，包括：一基底；一第一導體層，配置於該基底上，該第一導體層具有一可撓部分，且該可撓部分中具有多個凹槽，而該第一導體層中具有至少一第一開口；一第二導體層，配置於該第一導體層與該基底之間，其中該可撓部分位於該第二導體層上方；一第一介電層，配置於該第二導體層與該基底之間；以及一第二介電層，配置於該基底與部分該第一導體層之間，以使該可撓部分懸空。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統振膜，其中該基底、該第一介電層與該第二導體層中具有至少一第二開口。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統振膜，更包括一保護插塞，配置於該第二介電層中，且連接該第一導體層與該基底。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統振膜，其中該第一導體層的材料包括金屬、合金或多晶矽。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統振膜，其中該第二導體層的材料包括金屬、合金或多晶矽。
6. 一種微機電系統振膜的製造方法，包括：提供一基底；於該基底上依序形成一第一介電層與一第一導體 層；於該基底上形成一第二介電層，該第二介電層覆蓋該第一導體層；於該第二介電層上形成一第二導體層；於該第二導體層中形成多個凹槽，以於該第一導體層上方形成一可撓部分；於該第二導體層中形成至少一第一開口；以及經由該至少一第一開口移除該可撓部分與該第一導體層之間的該第二介電層。
7. 如申請專利範圍第6項所述之微機電系統振膜的製造方法，其中在形成該至少一第一開口之後以及移除該可撓部分與該第一導體層之間的該第二介電層之前，更包括於該基底、該第一介電層與該第一導體層中形成至少一第二開口。
8. 如申請專利範圍第7項所述之微機電系統振膜的製造方法，其中該可撓部分與該第一導體層之間的該第二介電層經由該至少一第一開口與該至少一第二開口移除。
9. 如申請專利範圍第6項所述之微機電系統振膜的製造方法，其中在形成該第二介電層之後以及形成該第二導體層之前，更包括於該第二介電層中形成一保護插塞，且該保護插塞與該基底連接。